基于人机工程学的轿车驾驶室设计【含内部CAD布置图】
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基于
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基于人机工程学的轿车驾驶室设计【含内部CAD布置图】
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I基于人机工程学的轿车驾驶室设计摘 要本文以人机工程学的原理为基础，对人体尺寸特性、人体视觉特性进行了研究，为座椅设计提供科学依据。计算了驾驶员座椅的 H 点位置，确定了座椅调节行程，对座宽、座深以及座面倾角进行了设计。由 H 点踵点的位置确定了手伸及界面，对方向盘、操纵杆以及脚踏板进行了相关设计。分析人眼的视觉特性，介绍了眼椭圆的相关特点，对轿车驾驶视野进行设计。依据人机工程学原则对仪表盘的形状、大小、布置位置、字符样式以及仪表盘颜色进行了相关设计。总结以往设计经验，充分考虑人的因素，使驾驶室更加安全、舒适，满足用户的需求，使轿车驾驶室人机环境系统的性能达到最优。关键词：驾驶室；人机工程学；仪器；设计IVCar cab design based on ErgonomicsAbstractBased on the principle of ergonomics, this paper studies the characteristics of human body and visual characteristics of human body, and provides scientific basis for seat design. The H point of the seat is calculated, and the width of the seat, the depth of the seat and the inclination of the seat surface are designed. The opponents interface, steering wheel, joystick and pedals are designed. This paper analyzes the visual characteristics of the human eye, introduces the characteristics of the eye ellipse, and designs the driving vision of the car. According to the principle of ergonomics, the shape, size, layout position, character style and color of dashboard of the dashboard are designed. To sum up the previous design experience and fully consider the human factors, the cab is more safe and comfortable, meets the needs of the user, and makes the performance of the car cab man - machine - environment system achieve the best.Key words: drivers cabin；human engineering；instrument；designV目 录摘 要.IIIAbstract.IV第一章 绪论.11.1 引言 .11.2 国内外发展历程.11.3 论文研究的内容和目的.2第二章 人体特性的研究.32.1 人体特征参数.32.1.1 人体主要尺寸.32.1.2 坐姿人体尺寸.42.1.3 人体水平尺寸.52.2 人的视觉响应特性.62.3 人体模板应用.62.4 本章小结.8第三章 汽车座椅分析与设计.93.1 座椅的人机工程分析.93.1.2 人体坐姿的体压分布 .103.1.3 座椅振动.113.2 座椅的人机工程学要求.113.3 理想座椅的设计分析.123.4 轿车座椅座宽、座深以及座面倾角的设计.143.5 本章小结.14第四章 操纵装置的分析与布置设计.164.1 驾驶员的手伸及界面.164.2 方向盘的设计分析.174.3 变速杆的设计分析.184.4 脚踏板的设计分析.19VI4.5 本章小结.20第五章 视野的分析与布置设计.215.1 驾驶员的视觉特性.215.2 驾驶员的眼椭圆.215.3 轿车驾驶视野的设计.225.3.1 直接视野.225.3.2 后方视野.245.3.3 侧方视野.255.4 前风窗和仪表盘的布置设计.255.5 本章小结.25第六章 显示装置的分析与布置设计.266.1 仪表盘的人机工程学原则.266.2 仪表显示器的设计.266.2.1 仪表盘的布置.266.2.2 刻度盘的外形.276.2.3 刻度盘的字符和颜色.276.3 本章小结.29第七章 结论.31参考文献.33致谢.341第一章 绪论1.1 引言在轿车的设计中，驾驶室的设计起着非常重要的作用。驾驶室的设计直接影响驾驶者的驾驶安全性、驾驶效率、舒适性和健康。传统的设计方法主要是基于经验设计，随着人机工程学和计算机技术的不断发展，这为使用人机工程学和计算机手段的驾驶室设计提供了条件，因为这使设计人员可以程序化的进行设计，因此设计时间变短了。更加重要的是，它可以依据我国人体尺寸的大小进行相关设计，这样可以保证设计更合理。随着当今科学技术的发展，汽车不再仅仅作为代步工具。人们对汽车性能的要求随着科技的发展也变得越来越高。其中，人们特别关系轿车的舒适性和安全性这两个特性，但是这两个特性与人体结构有着很大的关系。因此，在国内外，以人机工程学为原则的汽车设计越来越受到人们的重视。本文将探讨人机工程学在汽车驾驶室设计中的作用。人机环境系统设计的目的是创造出最优的人机关系、最佳的整体系统工作效率和最舒适的工作环境。在系统的设计中，人和机器因其不同的特点而有其自身的长处和局限性。因此，要充分发挥每一部分的长处，对人与汽车的功能进行合理的分配，相互配合，确保系统的整体工作效率最佳。在人-车-环境系统中，人与车是此系统的最重要的部分。人机交互的过程是利用人机界面上的显示器和控制器实现人与机器之间的信息交换过程。在设计和开发任何产品时，存在人机界面设计的问题。此外，随着信息技术的发展，使用该系统的人将会面对传递速度快捷并且复杂的信息，这就需要操作者在操作时快速准确。同时，随着计算机技术的日新月异，人机界面开始从硬件接口过渡到软件界面，这是人机交互的新阶段。研究人机界面的组成并且对其进行优化，该产品的质量以及功能等方面就会较之前有些许提升，并且它的技术含量与附加值也会提升 【1】 。1.2 国内外发展历程人机工程学起源于欧美。在工业革命中，机器第一次开始被广泛使用。为了在人与机械之间寻求契合，因此而诞生了人机工程学。特别是在第二次世界大战中，人机工程学的原理与方法被应用于广泛运用于坦克和飞机的内部舱室设计，使人们能够更有效地在舱中工作与战斗。20 世纪 60 年代后，欧洲和美国进入了大规模的经济发展时期。尤其是第三次工业革命，伴随着原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的飞速发展。同时，由于控制论、信息论、系统论、人学等新理论的建立，新的理论、方法被注入到人类工程学中。在中国，人机工程学的研究始于上世纪三十年代，但研究范围小，深度浅，系统深入的发展则是在文革后。1980 年 4 月，国家标准局成立了国家工效标准化委员会，统一2规划、研究和审议人类工效学国家标准。1984，国防科学技术委员会成立了国家军用人机环境系统工程标准化技术委员会。人机工程技术是二十一世纪信息领域需要解决的一个重要问题。美国二十一世纪信息技术计划的基本研究内容包括软件、人机交互、网络和高性能计算机 4 个方面。其中，人机建模的研究被列为信息技术的六大关键技术之一，它与软件和计算机技术并列。 “国防关键技术计划”不仅把人机交互列为软件技术发展的重要内容之一，同时还加入了人机界面这个内容。与此同时日本提出了 FPIEND21 计划（future Personalized Information Environment Development） ，目的是在 21 世纪发展个性化信息环境。1.3论文研究的内容和目的本文运用人机工程学的基本原理和理论，对轿车驾驶室设计进行了全面分析。主要研究人-汽车-环境系统中的三要素之间的相互作用和相互关系。该论文的主要内容包括：1. 人体特性的研究，包括人体形态特征参数、人的视觉响应特征以及人体模板。人体舒适坐姿和舒适操纵姿势分析2. 汽车座椅的设计分析，包括座椅的人机工程分析、座椅的人机工程学要求、理想座椅的设计分析和靠背的设计分析。3. 操纵装置设计分析，包括方向盘的设计分析、变速杆、其它手控装置和脚踏板的设计分析。4. 视野设计分析，包括驾驶员的视觉生理特性、驾驶员眼椭圆和驾驶视野的分析。5. 显示装置设计分析，包括仪表显示器的人机工程学原则和仪表显示器的设计。6. 汽车内部空间设计，包括车身侧围、膝部空间、空气环境和车内噪音。本论文研究的目的：通过对人体测量数据、人的视觉特性的研究，合理地进行汽车座椅、操纵装置、显示装置、驾驶视野以及内部空间的设计；减轻驾驶员操作的疲劳性，提高汽车的主动安全性，使驾驶员操作更加方便、舒适、安全。3第二章 人体特性的研究人-机-环境系统优化是基于人的生理特性、心理特性以及人的能力限度。人体特征研究包括：人的形态特征、感知特征、反映特征、工作生活中的心理特征等。本研究的目的是进行基于人机工程学的轿车驾驶室内部装置的设计，以使其满足驾驶员的生理特征和心理特征，为驾驶员创造高效、安全、健康、舒适的驾驶条件。2.1 人体特征参数人体尺寸是轿车驾驶室工程学研究的基本内容。人体大小百分位数是人体尺寸量化过程中产生的一个概念。在一组中，人体的大小不是定值，而是分布在一定范围内。在设计组件时，我们可以根据百分位数原理准确地选择某一人群的数据。人体百分位数表示人体某一基本数据的适用对象的比值，即人体尺寸数据的正态分布概率。国标 GB10000-88中国成年人人体尺寸 提供了我国成年人人体尺寸的基础数据，为我国人机系统设计提供了依据。2.1.1 人体主要尺寸国标 GB 10000-88 给出身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长、眼高 【2】 。图 2.1 立姿人体尺寸表 2.1 立姿人体尺寸男（1860 岁） 女（1855 岁） 年龄分组百分位数测量项目 5 50 95 5 50 9541.1 身高 1583 1678 1775 1484 1570 16591.2 体重，kg 48 59 75 42 52 661.3 上臂长 289 313 338 262 284 3021.4 前臂长 216 237 258 193 213 2341.5 大腿长 428 465 505 402 438 4761.6 小腿长 338 369 403 313 344 3751.7 眼高 1474 1568 1664 1371 1454 15412.1.2坐姿人体尺寸图 2.2 坐姿人体尺寸国标中的成年人坐姿人体尺寸包括：坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、坐姿下肢长，坐姿尺寸见图 2.2，表 2-3 为我国成年人坐姿人体尺寸。表 2-2 坐姿人体尺寸男（1860 岁） 女（1855 岁） 年龄分组百分位数测量项目 5 50 95 5 50 9553.1 坐高 858 908 958 809 855 9013.2 坐姿颈椎点高 615 657 701 579 617 6573.3 坐姿眼高 749 798 847 695 739 7833.4 坐姿肩高 557 598 641 518 556 5943.5 坐姿肘高 228 263 298 215 251 2843.6 坐姿大腿厚 112 130 151 113 130 1513.7 坐姿膝高 456 493 532 424 458 4933.8 坐姿下肢长 921 992 1063 851 912 9752.1.3人体水平尺寸图 2.3 人体水平尺寸国标中提供的人体水平尺寸包括：臀宽、坐姿臀宽、臀围，其部位如图 2.3 所示，我国成年人人体水平尺寸见表 2-4。表 2-3 人体水平尺寸男（1860 岁） 女（1855 岁） 年龄分组百分位数测量项目 5 50 95 5 50 954.1 臀宽 282 306 334 290 317 34664.2 坐姿臀宽 295 321 355 310 344 3824.3 臀围 805 875 970 824 900 10002.2人的视觉响应特性在轿车驾驶室内，驾驶员与机器的互动是通过界面进行的，人体的感觉器官通过界面接收机器传递过来的信息，并将其传递至大脑皮层。大脑皮层处理信息并使运动器官做出反应，从而使驾驶员对装置进行相关操作。所以说，人眼的视觉特性在人车系统中起着主导性的作用。视角是指视线与显示器等的垂直方向所成的角度，观察物体时，从物体两端（上、下或左、右）引出的光线在人眼光心处所成的夹角。物体的尺寸越小，
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